2020, Vol. 40
2. 中国电子科技集团公司第二十八研究所，南京市苜蓿园东街1号，210007;
3. 中国地震局第二监测中心，西安市西影路316号，710054
鄂尔多斯块体内部稳定，未发生过6级以上地震，但其周缘地区在不同期次的构造应力作用下具有差异显著的构造特征(图 1)，地震活动强烈。鄂尔多斯地块南缘具有相对独特的区域地质背景、大地构造位置和构造动力学机制，同时叠加邻区构造体系，致使其具有独特的构造特征和演化历史[1-3]。断裂活动和矿产资源的开采使鄂尔多斯地块南缘地表形变特征复杂，具有重要的研究意义。
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F1:海原断裂；F2:昆仑断裂；F3:鲜水河断裂；F4:甘肃断裂；F5:郯庐断裂；1:逆断层；2:正断层；3:走滑断层；4:挤压应力；5:拉张应力；6:逆冲推覆方向 图 1 研究区构造地质背景[4] Fig. 1 Tectonic geological setting of study area[4] |
GPS数据观测周期长和点位密度低等特点限制了其在精细化监测中的应用，很难获取鄂尔多斯块体南缘的整体高空间分辨率的形变速度场，而基于呈现面特征的InSAR观测技术可提供该区域整体的形变场。同时，欧空局发布的Sentinel-1数据可大大降低InSAR的测量成本，为InSAR技术在大范围形变监测中的广泛应用提供可能。本文基于Sentinel-1数据，采用InSAR技术获取鄂尔多斯块体南缘的整体地表形变，为精细分析研究区内不同类型的形变特征提供依据。
1 SAR数据及处理选取覆盖研究区的Sentinel-1影像，包含2014-10-23~2019-02-23共72个历元144景影像数据(表 1)。由于Sentinel-1数据受burst成像模式限制[5]，基于GAMMA软件进行数据处理前需对获取的卫星数据进行预处理，包括burst的选取、融合、拼接、裁剪与配准，最终得到58景可用的SLC数据。
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表 1 Sentinel-1卫星数据参数 Tab. 1 Parameters of Sentinel-1 images |
在选取差分干涉图时，为提高形变信息的信噪比，将距离向与方位向的分辨率设置为15 m×15 m，时间基线不小于300 d，空间基线不超过100 m，图 2为时空基线具体空间分布情况。利用美国国家航空航天局提供的30 m分辨率的外部DEM数据去除地形相位；采用在线气象模型[6](generic atmospheric correction online service, GACOS)估计并去除干涉图中的大气相位误差，经过最小费用流的相位解缠处理，最终得到57幅相干性较高的解缠相位图用于后续年均速度场解算。
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图 2 时空基线分布 Fig. 2 Distribution of spatial-temporal baselines |
采用stacking技术对选取的57幅解缠图进行计算，得到鄂尔多斯块体南缘2014-10-23~2019-02-23 LOS向(雷达视线方向)平均地壳形变速率场(图 3)，其中负值表示远离卫星运动方向，正值表示靠近卫星运动方向。从图中可以看出，研究区内最大沉降出现在三原县，沉降速率约为12 mm/a，与Zhao等[7]给出的形变速率基本一致，表明本文研究结果具有一定的可靠性。
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图 3 研究区LOS向平均形变速率场 Fig. 3 Mean deformation rate field of study area from InSAR in LOS direction |
研究区形变速度场整体相干性较好，在北部山区存在部分失相干现象。InSAR形变速率场的点位密度远高于GPS和水准测量方法，能为鄂尔多斯块体南缘的地表形变特征分析提供精细化数据。形变速率结果表明，长武县、彬县周围具有多处漏斗式形变场，存在大范围沉降和局部隆升，口镇-关山断裂与陇县-岐山-马召断裂两侧存在一定的差异性运动，汾渭盆地内存在局部沉降和隆升，三原县内出现大面积沉降，扶风县与蒲城县具有明显的隆升特征。
3 InSAR形变场分析地表形变与人类活动、构造运动密切相关。鄂尔多斯块体南缘断裂发育，同时由于矿产开采和抽水影响，致使整个地表构造复杂，形变原因多样。本文将通过InSAR形变场，结合遥感影像、断裂带历史活动情况及野外实地调查等多种手段对鄂尔多斯块体南缘的地表形变进行精细化分析。
3.1 煤矿开采形变区图 4为矿区形变速度场分布情况。从图中可以看出，形变场集中分布在长武县、彬县附近，存在明显的沉降漏斗与局部隆升，影响范围超过1 000 km2。结合历史资料与谷歌卫星影像分析可知，该区域为陕西省第二产煤区，煤炭资源集中分布在彬县、长武县、旬邑县、淳化县、永寿县，每年煤炭开采量较大[8]。
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图 4 矿区形变速度场分布 Fig. 4 Distribution of deformation rate field in mining area |
随着地下煤矿的开采，采空区逐步扩大，同时由于未采取回填措施，导致地表形变越来越严重，从而出现大面积的地表沉降、塌陷等问题(图 4)。彬县周围的多处局部隆升是由开采回填、矿渣堆放所致。
3.2 盆地内主要断裂现今活动情况 3.2.1 陇县-岐山-马召断裂陇县-岐山-马召断裂为陇县-宝鸡断裂带中规模最大、活动性最强的分支断裂带，控制着渭河盆地西北缘和鄂尔多斯台地的地貌边界，斜插入渭河盆地，分为新集川-陇县段、陇县-岐山段和岐山-马召段，为左旋走滑型断层，全长约130 km，走向300°~315°[9]。研究区中，扶风县存在的大范围隆升区位于断裂带中岐山-马召段东北部，该段断裂全长约30 km，具有左旋性质，滑动速率约为0.87 mm/a。
为详细探查隆升原因，对形变速度场进行剖面提取分析，同时对形变区进行野外调查。在扶风县形变最大区域，分别沿图 3中AA′(平行断层剖线)和BB′(垂直断层剖线)2条剖线提取LOS向的形变值(图 5)，图中红色虚线表示与该条剖线相交的垂直断层的位置。剖线AA′形变数据表明，扶风县存在平滑隆升，变形量约为6 mm/a。剖线BB′显示，断层两侧存在差异运动，断层东北侧靠近卫星运动方向，西南侧远离卫星运动方向，结合图 3中卫星的运动方向可以判断，该断层具有左旋走滑特征，与断层构造运动一致，但差异量达到7 mm/a，远大于断层的历史运动速率。但该处未发生明显的历史灾害与构造运动，因此需要判断断层两侧差异运动是否由其他外界因素所致，故进行野外异常核实。
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图 5 扶风县InSAR平均形变速率场剖线图 Fig. 5 InSAR deformation rate field profile of Fufeng county |
野外调查工作由中国地震局第二监测中心负责开展。卫星遥感数据表明，形变较大处位于扶风县城关镇(图 6)。通过走访了解到，该区近几年并无构造运动，而是人口持续外流导致其自来水厂地下水开采量逐年减小，从而引起地面隆升。
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图 6 城关镇InSAR形变场与自来水厂实地图 Fig. 6 InSAR deformation field and waterworks location of Chengguan town |
口镇-关山断裂位于渭河盆地北部，近东西走向，全长约100 km，为北升南降的高角度正断层。跨断层形变资料显示，断层现今仍以0.75 mm/a的速率在滑动，且南北两侧的伸展速率存在较大差异[10]。从图 3可以看出，口镇-关山断裂两侧存在并不明显的差异运动，同时人口密度较大的三原县西部存在明显的沉降漏斗。为分析研究时间段内断层的运动情况与沉陷漏斗的成因，沿图 3中CC′提取剖线形变结果(图 7)。结合图 3、7的剖线结果可以看出，口镇-关山断裂南北两侧存在差异性运动，断裂北侧运动不明显，而断裂南侧远离卫星运动的趋势较为显著，存在沉降漏斗。断层运动一般不会造成沉降漏斗，资料显示三原县鲁桥乡东沟村北存在一处水井，井深722.45 m[11]，供应整个县城的水源需求。沉降漏斗的形变量为12 mm/a，远大于断层的运动速率，因此认为该处沉降主要由水井抽水导致。
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图 7 三原县InSAR平均形变速率场剖线图 Fig. 7 InSAR deformation rate field profile of Sanyuan county |
从图 3可以看出，在蒲城县西北区域存在局部异常隆起，沿图 3中DD′剖线提取形变数值并进行剖面分析。从图 8可以看出，在蒲城县存在一个跨度约8 km、最大年均形变量约10 mm的隆升，影响面积达到50 km2。历史资料中并无该区域的形变记录，故进行野外实地调查。
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图 8 蒲城县隆升区InSAR平均形变速率场剖线图 Fig. 8 InSAR deformation rate field profile of uplift area of Pucheng county |
结合谷歌卫星影像可知，蒲城县形变异常区位于县城西北方向的三合乡，历史基础资料显示，断裂未穿过该区域。经野外考察人员走访发现，该地区3个乡镇实行统一供水，形变区西侧存在2口深500 m以上的抽水井(图 9)，因此认为三合乡区域地下水位的回升造成该地区出现隆升形变。
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图 9 三合乡InSAR形变场与自来水厂实地图 Fig. 9 InSAR deformation field and waterworks location of Sanhe country |
基于Sentinel-1数据得到鄂尔多斯块体南缘2014-10-23~2019-02-23的InSAR地表平均形变速率场，为精细分析研究区不同类型的形变特征提供依据，对危险区跟踪和区域形变特征判定具有重要的实用意义。监测结果显示，研究区存在地表变形，包括形变漏斗、地表沉降与隆升及断裂带两侧的差异运动，结合野外调查资料与遥感影像数据对地表形变原因进行分析，具体如下：
1) 中部沉降漏斗的影响面积约为1 000 km2，集中分布在长武县、彬县附近。沉陷漏斗主要由矿区的开采所致，其中彬县周围出现的多处局部隆升是由开采回填、矿渣堆放造成的。
2) 盆地内岐山-马召、口镇-关山断裂两侧在InSAR监测时段内存在差异运动。InSAR形变速度场与剖线数据显示，岐山-马召断裂具有左旋走滑特征，口镇-关山断裂两侧差异运动不明显。
3) InSAR数据分析及现场异常核实表明，地表形变的空间分布与人类活动具有较高的相关性，形变区内水资源的开采有可能造成盆地内大面积的地表形变。三原县年均沉降量达12 mm，影响范围近800 km2，主要因人口集中而大量抽取地下水所致。扶风县与蒲城县为2处隆升区，形成原因主要是人口外流导致用水量减少，水位回升，进而造成地表隆升。
另外，本文也存在不足之处，由于未获取到局域形变区的具体数据，因此未进行地表形变定量分析。
致谢: 感谢中国地震局第二监测中心王金烁、杨帆、徐晓雪等提供的野外调查结果。
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2. The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, 1 East-Muxuyuan Street, Nanjing 210007, China;
3. The Second Monitoring and Application Center, CEA, 316 Xiying Road, Xi'an 710054, China